주간건강과질병 제 8 권제 23 호 HIV 감염자의비정상적인체액성면역반응에대한고찰 Introduction of The Abnormalities of Humoral Immune Response in HIV-Infected Individuals Abstract BACKGR

주간건강과질병 제 8 권제 23 호 HIV 감염자의비정상적인체액성면역반응에대한고찰 Introduction of The Abnormalities of Humoral Immune Response in HIV-Infected Individuals Abstract BACKGROUND: HIV-1 infection induces a diverse immunological dysfunction. The abnormality of immune control after HIV-1 infection is closely related with dysfunction of immune cells including B cell, CD4 + T, CD8 + T and DC (dendritic cells). Recently, abnormal humoral immunity underlying B cell function in HIV-infected individuals has been highlighted to overcome limitations for development of broadly neutralizing antibodies as a potential HIV vaccine. Therefore, we here discuss on the abnormalities of humoral immunity linked with HIV-induced B cell dysfunction. CURRENT STATUS: Chronic HIV infection is associated with hypergammaglobulinemia, deficient antibody responses and expansion of several B cell subpopulations including immature transitional, hyperactivated and exhausted B cells. These abnormalities in HIVinfected individuals may be caused by chronic immune-cell activation which involves the increased cell turnover and the induction of inflammatory factors such as IFNα and TNFα. Principally, viral load is positively co-related with abnormality of B cell function in HIV-1 infected individuals. HIV-1 proteins such as gp120 and Nef may play role in some extent to HIV-1 induced B cell abnormalities. Therefore, the defects of B cells in HIV-infected individuals can be reversed by cart that effectively decrease HIV viremia, although the loss of memory B cells and their function is not reversed by ART. Furthermore, defect of follicular helper T (T FH ) cells during HIV infection is also related with B cell abnormalities. PROSPECTIVE FUTURE: Understanding of abnormalities of B cell function in HIVinfected individuals can be used to attempt to guide rational vaccine design. 질병관리본부면역병리센터에이즈 종양바이러스과신영현, 윤철희, 강춘 1) 들어가는말 인간면역결핍바이러스 (Human Immunodeficiency Virus, HIV) 감염은인체내광범위한만성적면역반응을야기한다. 인체내에 HIV가감염되어바이러스가증식하는동안감염된 CD4 + T 세포의면역기능은파괴될뿐아니라전체적인면역체계가영향을받아면역관련물질들이비정상적으로조절된다. 이런비정상적인면역반응은 CD4 + T 세포뿐만아니라 CD8 + T 세포, 자연살해세포 (natural killer cell), 수지상세포 (dendritic cell) 그리고 B 세포에서광범위하게일어난다. 특히 HIV 감염환자에서 B 세포의비정상적활성화및기능적결핍은 효과적인질병치료와성공적인 HIV 백신개발을어렵게만드는요인으로작용한다. 본원고에서는 HIV 감염환자에서나타나는특이적인 B 세포집단및그기능적변화를살펴보고자한다. 더나아가, 항레트로바이러스치료법 (Anti-Retroviral Therapy, ART) 2) 을처방받은환자에서바이러스혈증억제에따른혈액내 B 세포의생리학적기능이어떻게변하는지알아보고, 그에대한이해를돕고자본분야의정보를담고있는 Rafael Cubas and Matthieu Perreau (2014). The dysfunction of T follicular helper cells, Curr Opin HIV AIDS 9: 485-491. 및 Susan Moir and Anthony S. Fauci (2009). B cells in 1) 교신저자 (ckang@nih.go.kr/ 043-719-8410) 2) 항레트로바이러스치료법 (Anti-Retroviral Therapy, ART): HIV 감염에있어서가장중요한치료법으로 HIV질환의진행을늦추고, 생존기간을연장시켜준다. 518 www.cdc.go.kr

Vol. 8 No. 23 PUBLIC HEALTH WEEKLY REPORT, KCDC HIV infection and disease, Nat Rev Immunol. 9(4): 235 세부집단이 상당히 다르게 관찰되고 있다. HIV감염에 의해 245. 논문 및 참고문헌들의 내용 일부를 인용하여 정리하였다. 혈액 내 인터루킨-7 (IL-7)이 증가하여 미성숙 전이 B 세포 (immature transitional B cell, CD10+CD21low/highCD27-), 몸말 활성화된 성숙 B 세포(activated mature B cell, CD10-CD21low CD27+)와 형질모세포(plasmablast)6)가 증가하고, 반대로 건강한 사람의 말초 혈액 내 B 세포는 대부분 휴지기 미활성 기억 B 세포(resting memory B cell, CD10-CD21high 미감작(resting naïve) B 세포 또는 기억 B 세포3)이다. 이들 CD27+)는 감소하게 된다. 흥미롭게도 HIV 감염환자에서는 B 세포는 치환되었거나 비치환된 항체 아형(switched or 새로운 세부 집단인 불활화 B 세포(exhausted memory unswitched antibody isotype, IgG, IgE, IgA 또는 IgM, B cell, CD10-CD21lowCD27-)가 나타나게 된다(Figure 1) [2]. IgD)4)을 발현한다. 하지만, HIV 감염인에서는 정상인과는 다른 이러한 B 세포의 세부집단(미성숙 전이 B 세포, 불활화 B 세포, B 세포의 세부 집단이 관찰된다[1]. 일반적인 B 세포 활성화된 성숙 B 세포, 형질모세포)의 비정상적인 증식 또는 감소 분화과정을 보면 B 전구세포가 골수에서 미성숙 상태로 나와 현상은 B 세포에 의해 생성되는 항-HIV 또는 항-병원체에 대한 말초에서 성숙하고 감염이나 기타 체내 상태에 따라 형질세포 항체생성을 결여시켜 바이러스에 의한 면역회피기전을 제공하는 (plasma cell)5)나 기억세포로 분화하는 것으로 알려져 있다. 것으로 생각된다. 그러나 HI V 감염인에서는 이러한 말초혈액에서의 B 세포 Figure 1. HIV-induced alterations of human B-cell subpopulations As immature CD19+CD20+ B cells exit the bone marrow, a small fraction can be identified in the peripheral blood by the expression of CD10 in the absence of CD27. The frequency of these immature transitional B cells, which can be further divided into CD21low and CD21hi subsets, is increased in the peripheral blood of HIV-infected individuals, probably as a result of the increased serum levels of interleukin-7 (IL-7) that are associated with HIV-induced CD4+ T cell lymphopenia (a). Chronic HIV viraemia is associated with the expansion of several B-cell subpopulations, including activated mature B cells that have downregulated their expression of CD21 and express CD27, short-lived Ki-67+ plasmablasts that have downregulated their expression of CD20 and CD21 and express high levels of CD27, and tissue-like memory B cells that have downregulated their expression of CD21, do not express CD27 and have several features of virus-induced exhaustion (b). HIV infection is associated with a loss of resting memory B cells (defined by the expression of CD21 and CD27) that is not reversed by antiretroviral therapy (c). 3) 기억 B 세포: 항원을 경험한 세포로써, 동일한 항원을 만나면 혈장세포로 빠르게 분열할 수 있는 세포 4) 치환된 혹은 비치환된 항체 아형: IgM, IgD 면역글로블린이 IgG, IgE 혹은 IgA로 아형 치환이 일어나면서 항체의 다양성이 증가되고, 더욱 다양한 기능을 가지게 된다. 5) 형질세포(plasma cell): 항원과 T 세포에 의해 과량의 항체를 분비하도록 분화된 B 세포 6) 형질모세포(plasmablast): 분열과 이동을 할 수 있는 능력을 가지 형질세포의 전구세포 www.cdc.go.kr 519

주간건강과질병 제 8 권제 23 호 HIV 바이러스혈증이 B 세포에미치는직접적인영향 ART를투여받지않은 HIV 감염인에서는지속적인바이러스증식이일어나환자혈액내에서바이러스가계속적으로검출된다. 이러한환자에서바이러스혈증이 B 세포의기능장애와연관성이있음이밝혀진후이에대한직접적인증거를찾는연구가진행되었다. 최초 HIV와 B 세포가직접적으로상호작용한다는사실이 1986년처음알려졌다 [3]. 이후다른연구에서는보체와결합한 HIV가성숙한 B 세포에서발현되는 CD21 (CR2, complement receptor 2) 과결합하여바이러스의전파를증가시키고 B 세포를사멸시킬수있다고알려졌다. 그러나 in vivo 에서는 HIV와상호작용하는 B 세포의수가매우적어, 환자에서 B 세포의기능장애에대한증거는거의없는실정이다. 또한, HIV 단백질인 gp120 과 Nef가 B 세포를활성시킨다고알려졌다. gp120 은 B 세포표면에발현되는 C형렉틴 (C type lectin) 에결합하여면역글로블린아형치환을 유도하고, Nef 단백질은다클론 B 세포의활성화를촉진하고대식세포가염증유발사이토카인을분비하도록유도하여 CD4 + T 세포의접근성을증가시킨다 (Figure 2). HIV 바이러스혈증이 B 세포에미치는간접적인영향 1) HIV 감염에의한 B 세포과활성화 HIV 감염에의한 B 세포의과활성화로는고감마글로블린혈증 7), 다클론 B세포활성화, B세포증식율증가, CD70/CD71/CD80/ CD81 발현증가등이알려져있다 [4-6]. 또한, 형질모세포로의분화를증가시키고, 자가인식항체 8) 의발현및 B 세포종양의빈도를증가시킨다 [7]. 이는 LPS, BAFF, TNF, 인터페론 (Interferon, IFN)α, IL-6, IL-10 등이면역세포를활성화시키고세포의증식 / 사멸율을증가시키기때문인것으로알려져있다 (Figure 2) [8]. 만성적 HIV 감염환자에서수지상세포가인터페론α를 Figure 2. Direct and indirect effects of HIV replication on B cells Direct effects of HIV virions or viral proteins on B cells include the binding of complement bound HIV virions to B cells through the complement receptor CD21, which can enhance virus dissemination and increase B cell depletion by apoptosis. Binding of HIV virions or gp120 can also induce B cells to secrete inflammatory cytokines, such as tumour necrosis factor (TNF) and interleukin-6 (IL-6). In addition, secreted Nef from sites of HIV replication can diffuse into B cells and suppress B-cell class switch recombination. Moreover, HIV-infected macrophages release factors, some of which are secreted in a Nef-dependent mechanism (such as ferritin), that stimulate B cells. Indirect effects of ongoing HIV replication in infected individuals are the result of HIV-induced immune-cell activation and CD4+ T cell depletion. Increased serum levels of IL-7 are associated with CD4+ T cell lymphopenia, increased B cell immaturity and decreased responses to antigen. Various systemic mediators of immune-cell activation and increased cell turnover have been proposed, including lipopolysaccharide (LPS), B cell-activating factor (BAFF), TNF, interferon-α (IFNα), IL-6 and IL-10. IFN-stimulated genes are strongly induced in B cells of HIV-viraemic individuals, probably as a result of chronic immune cell activation. 7) 고감마글로블린혈증 (hypergammaglobulinaemia): 혈장내면역글로블린이증가된상태 8) 자가인식항체 (autoantibody): 자신의세포를공격하는항체를말하며, 공격하는세포에따라여러가지자가면역질환을일으킬수있다. 520 www.cdc.go.kr

Vol. 8 No. 23 PUBLIC HEALTH WEEKLY REPORT, KCDC 증가시키며, 이는 B 세포내에서인터페론작용관련유전자들을유도시켜세포사멸을일으킨다. 장에서는 T 세포감소로인한장조직파손으로 LPS가혈액으로노출되면서 B 세포의비정상적과활성화를유도한다고보고된바있다 [9]. 이처럼현재까지만성적인 HIV 감염이여러가지강력한인자들을발현시켜, B 세포의과활성을유도하는것으로밝혀졌다. 2) HIV 감염에의한혈액내림프구감소증 HIV 감염은혈청내 IL-7의분비를증가시키는것으로알려져있다. 이는 CD4 + T 세포수의감소, B 세포의미성숙성증가그리고항체에대한반응감소를유발하여 B 세포의기능장애를촉진하는것으로알려지고있다 [10]. 다른한편으로, 분비된 IL-7은미성숙전이 B 세포를증가시켜 B 세포의미성숙성을유도하고항원에대한반응성을결여시킨다고알려졌다. 이런결과는 HIV-1 감염과관련없는 ICL (Idiophathic CD4 + T-cell lymphocytopenia) 9) 환자에서 나타나는 IL-7 에의해유도된 CD4 + T 세포수감소와 B 세포미성숙을나타내는현상 과유사하다. 이런현상들을종합하면 IL-7 증가에따른 CD4 + T 림프구감소증이미성숙전이 B 세포의증가와깊은관련성이있음을시사한다. 3) HIV 감염에의한 B 세포의불활화현재까지말초혈액 B 세포에서의 CD21 발현감소는만성적 HIV 복제와질병진전의신뢰성있는지표로알려져있다 [1]. 앞서언급하였듯이불활화기억 B 세포가 HIV 환자에서증가하는데이러한불활화기억 B 세포는만성적인바이러스감염으로인해세포고유의기능을잃어버린세포를의미한다. 불활화기억 B 세포는 PD1 (programmed cell death1), CTLA4 (cytotoxic T lymphocyte antigen 4) 과같은 B 세포기능저해수용체를과발현한다. 특히불활화기억 B 세포는정상인이나혈장내 HIV 바이러스검출이되지않는 HIV 감염환자에서는전체 B 세포의 5 % 에불과하지만혈장내 HIV Figure 3. B-cell exhaustion induced by persistent HIV infection and ongoing viral replication In the context of self-limiting viral infections, naive B cells respond to exogenous antigen by migrating to T-cell-rich areas of lymphoid tissues, becoming activated, initiating a germinal centre reaction that selects for B cells with improved antigen binding and finally exiting the germinal centre as either long-lived resting memory B cells or plasma cells. In the context of a persistent viral infection such as HIV, chronic immune activation increases the frequency of antigen-experienced B cells that are short-lived and have undergone several cell divisions. The chronic immune activation induced by HIV also gives rise to exhausted B cells that have a shortened replication history and decreased immunoglobulin diversity, consistent with the increased expression of multiple inhibitory receptors and altered expression of homing receptors that favour migration to sites of inflammation and away from sites of cognate B-cell T-cell interactions. The exhausted B cells have poor proliferative responses, but are enriched for virus-specific responses. 9) Idiophathic CD4 + T-cell lymphocytopenia (ICL): HIV-1 또는 HIV-2 감염등이없이알려지지않은원인으로 CD4 + T 세포수가감소하는질병 www.cdc.go.kr 521

주간건강과질병 제 8 권제 23 호 바이러스가검출이되고있는 HIV 감염환자의경우 25% 이상으로증가한다 [1]. 불활화 B 세포는미활성기억 B 세포에비해 CD22나 FcR4와같은기능저해수용체가발현되며재노출항원에대한반응성과분열정도가감소하고면역글로블린의다양성이나복제성이감소하는경향을보인다 (Figure 3). 4) HIV 감염에의한폴리큘린도움 T 세포 (T FH ) 증가에따른 B 세포비정상화최근한논문에서 HIV 감염환자에서보여지는 B 세포와항체기능결함이폴리큘린도움 T 세포 (T follicular helper, T FH ) 에의한것으로관찰되었다 [11]. 만성적인 HIV 감염에의해림프절과같은림프기관에서 T FH 의축적이일어나고, 이세포의축적에의해 B 세포와항체의기능결함이유발되는것이관찰되었다. 미감작 B 세포는 T FH 세포의도움을받아비교적짧게생존하고낮은친화력을가진항체를생산하는형질모세포로분화하거나, B 세포수용체의점돌연변이가일어나항원결합력이더증가되는과정을거쳐기억 B 세포로분화한다. 그러나최근, Lindqvist 그룹이발표한바에따르면, HIV가감염된환자에서 T FH 의수가정상인에비해 10배이상높은것이관찰되었다 [12]. 이는 T FH 자체의기능적결함을유발할뿐만아니라림프절과같은이차림프기관에서항원에대해낮은친화력을가진항체를생산하고수명이짧은형질모세포의수를증가시켜성숙된기억 B 세포로의분화를저해하는것으로보인다 (Figure 4). ART 치료에따른 B 세포의기능회복 ART 치료는 HIV 감염환자의이환율과사망률을줄여줄뿐만아니라 HIV 감염에의한비정상적인면역반응을일부분정상적으로회복시키기도한다 [13]. 1998년보고된연구결과에따르면, ART 치료에의해면역글로불린을많이분비하는 B 세포의수가줄어고감마글로블린혈증과 HIV 특이적 B 세포반응을감소시키는것이확인되었다. 다른연구에서는, 효과적인 ART 치료에의해말초혈액에서면역글로불린을비정상적으로높게분비하는 B 세포불활화 / 활성화된성숙 B 세포 (CD21 low B 세포 ) 의수가정상으로회복되는것이확인되었다. 또한, HIV 환자의 B 세포에서는다양한면역세포들 (CD4 + T, CD8 + T, NK, B 세포 ) 의증식 / 사멸율을증가시키는 CD70/71, CD80/86 과같은활성인자들이발현되는데, 이러한 Figure 4. Altered interactions between germinal center B cells and TFH cells in HIV-infected individuals TFH cells express high amounts of the negative regulatory receptor PD-1, and the authors show that germinal center B cells from HIV-positive people have increased expression of the PD-L1 ligand. PD-L1 PD-1 ligation leads to decreased TFH proliferation, activation and secretion of the cytokine IL-21, which is crucial for B cell survival and their differentiation into plasma cells. Exogenous IL-21 or blocking PD-1 signaling can restore B cell antibody responses and plasma cell generation. BCR, B cell receptor; MHC, major histocompatibility complex. 10) HIV 바이러스혈증감소 (HIV aviremia): 혈액내에서 HIV 바이러스의농도가현저히낮거나거의검출되지않는상태를말한다. 522 www.cdc.go.kr

Vol. 8 No. 23 PUBLIC HEALTH WEEKLY REPORT, KCDC 현상들이 ART 치료에의해감소되는것으로확인되었다 [14]. 요약하면, 효과적인 ART 치료는 HIV 바이러스혈증을감소시킬 10) 뿐만아니라 B 세포의증식 / 사멸율, 과활성화, 세포사멸을전반적으로감소시킨다. 이러한회복기작은아마도 ART 치료결과 HIV가감소되고, CD4 + T 세포수가정상수치로증가되는것에기인하는것으로생각된다. 결국이는비정상적인미성숙전이 B 세포수를감소시켜정상적인 B 세포집단으로회복시키는것으로사료된다. 하지만, 이미감소된기억 B 세포의수와기능은회복되지않아, 백신혹은다른병원균에대한낮은항원반응성은회복되지않는것으로보인다. 맺음말 현재까지에이즈를완치시키는치료법뿐만아니라백신도없는실정이다. 최근 HIV 치료백신및예방백신개발등다양한연구들이진행되고있으나, 백신개발의가장큰장애물은효과적인중화항체생성을유도하지못하는것이다. 그러한원인을알아보기위해본원고에서는 HIV 감염에따른면역체계특히항체생산과관련있는체액성면역반응의변화에대해살펴보았다. 만성적인 HIV 감염은 B 세포의비정상적인군집을만들어내고나아가체액성면역반응의결핍을유발시킨다. 이런현상으로말미암아실제 HIV 감염환자에서는 HIV 외피단백질에대한항체생성은증가되지만치료및예방에필요한광범위중화항체 (broadly Nutralizing Anibody, bnabs) 11) 는약 10-30 % 의환자에서만생성되는것으로보고되고있다 [15]. HIV 감염환자에서나타나는비정상적 B 세포세부집단의변화와 B 세포반응의결핍은아마 HIV가채택한주요한면역회피기전일것이다. 우리가이러한 HIV의전략을정확히파악할수있다면, 이를역으로이용하여 HIV 감염을막고치료할수있는치료법을개발할수있을것으로기대한다. 참고문헌 1. Moir S and Fauci AS. 2008. Pathogenic mechanisms of B lymphocyte dysfunction in HIV disease. J Allergy Clin Immunol. 122:12-19. 2. Susan M and Anthony SF. 2009. B cells in HIV infection and disease. Nat Rev Immunol. 9:235-245. 3. Schnittman SM, Lane HC, Higgins SE, Folks T, Fauci AS. 1986. Direct polyclonal activation of human B lymphocytes by the acquired immune deficiency syndrome virus. Science. 233:1084-1086. 4. Moir S, et al. 2001. HIV-1 induces phenotypic and functional perturbations of B cells in chronically infected individuals. Proc Natl Acad Sci USA. 98:10362-10367. 5. Moir S, et al. 2004. Decreased survival of B cells of HIV-viremic patients mediated by altered expression of receptors of the TNF superfamily. J Exp Med. 200:587-599. 6. Malaspina A, et al. 2003. Deleterious effect of HIV-1 plasma viremia on B cell costimulatory function. J Immunol. 170:5965-5972. 7. Martinez-Maza O, Breen EC. 2002. B-cell activation and lymphoma in patients with HIV. Curr Opin Oncol. 14:528-532. 8. Mandl JN, et al. 2008. Divergent TLR7 and TLR9 signaling and type I interferon production distinguish pathogenic and nonpathogenic AIDS virus infections. Nature Med. 14:1077-1087. 9. Brenchley JM, et al. 2006. Microbial translocation is a cause of systemic immune activation in chronic HIV infection. Nature Med. 12:1365-1371. 10. Martinez-Maza O, Crabb E, Mitsuyasu RT, Fahey JL, Giorgi JV. 1987. Infection with the human immunodeficiency virus (HIV) is associated with an in vivo increase in B lymphocyte activation and immaturity. J Immunol. 138:3720-3724. 11. Cubas RA, Perreau M. 2014. The dysfunction of T follicular helper cells. Curr Opin HIV AIDS. 9:485-491. 12. Lindqvist M, et al. 2012. Expansion of HIV-specific T follicular helper cells in chronic HIV infection. J Clin Invest. 122:3281-3294. 13. Morris L, et al. 1998. HIV-1 antigen-specific and -nonspecific B cell responses are sensitive to combination antiretroviral therapy. J Exp Med. 188:233-245. 14. De Boer RJ, Mohri H, Ho DD, Perelson AS. 2003. Turnover rates of B cells, T cells, and NK cells in simian immunodeficiency virus-infected and uninfected rhesus macaques. J Immunol. 170:2479-2487. 15. Kwong PD, Mascola JR. 2012. Human antibodies that neutralize HIV-1: identification, structures, and B cell ontogenies. Immunity. 37:412-425. 11) bnabs (broadly neutralizing antibodies): 광범위한중화항체, HIV-1 중화항체는다양한세부그룹의 HIV 를중화시킬수있는항체를말한다. www.cdc.go.kr 523